Asfalty drogowe - Firmy i materiały budowlane

Asfalty drogowe
Data wprowadzenia: 09.11.2015 r.
Asfalt jest powszechnie stosowanym materiałem budowlanym,
wykorzystywanym przede wszystkim jako spoiwo. Pierwsze zastosowania asfaltu
w budownictwie miały miejsce w Mezopotamii 800-600 lat p.n.e. Używany był do
łączenia mozaiki, cegieł w budynkach. Z tego okresu pochodzi również pierwsza
droga do Babilonu i most na Eufracie wybudowane z użyciem asfaltu [1].
Podstawowymi cechami, które decydują o przydatności asfaltów w
drogownictwie jest odporność na działanie wody oraz właściwości
termoplastyczne.
Terminologia
Asfalt jest lepiszczem, który podgrzany do odpowiednio wysokiej temperatury mięknie i upłynnia się,
natomiast po schłodzeniu – jego lepkość zwiększa się i staje się ciałem stałym. Obecnie jest on
podstawowym składnikiem mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA) stosowanych do budowy nawierzchni
asfaltowych. Zgodnie z klasyfikacją podaną w normie PN-EN 12597 [2] asfalty te zaliczają się grupy asfaltów
naftowych. Należy do nich zaliczyć asfalty drogowe, drogowe specjalne i modyfikowane polimerami (rys. 1).
Asfalt drogowy
Asfalt drogowy tzw. zwykły jest stosowany do otaczania kruszywa i/lub destruktu asfaltowego oraz
wykorzystywany głównie w budowie i utrzymaniu nawierzchni drogowych. Klasyfikowane są wg normy PNEN 12591 [3]. Asfalty przeznaczone do mieszanek mineralno-asfaltowych klasyfikowane są wg penetracji w
temp. +25oC. Wymagania zgodne z Załącznikiem Krajowym NA do normy PN-EN 12591 przedstawiono w
tablicy 1.
Asfalt specjalny
Asfalt specjalny produkowany jest w celu uzyskania specyficznych właściwości. Wyróżniamy w tej grupie
asfalty twarde (o penetracji nie wyższej niż 25 x 0,1 mm, przeznaczone do betonu asfaltowego o wysokim
module sztywności) oraz wielorodzajowe charakteryzujące się mniejszą wrażliwością termiczną w stosunku
do asfaltów drogowych, które są produktami pośrednimi między asfaltem drogowym a modyfikowanym (nie
zawierają polimerów, technologia ich produkcji opracowywana jest w rafineriach).
Asfalty twarde objęte są normą PN-EN 13924 [4], do której opracowano Załącznik Krajowy NA. Jednak
zgodnie z Wymaganiami Technicznymi WT-2 2014 [23] nie przewiduje się stosowania takich asfaltów do
MMA w Polsce. Wymagania dla asfaltów wielorodzajowych zamieszczone są w Załączniku Krajowym do
normy PN-EN 13924-2 [5] (tablica 2).
Asfalt modyfikowany polimerem
Asfalt modyfikowany polimerem tzw. polimeroasfalt to asfalt, którego właściwości reologiczne zostały
zmodyfikowane w produkcji przez dodanie jednego lub kilku polimerów organicznych. Celem stosowania
polimeroasfaltów jest poprawa właściwości funkcjonalnych nawierzchni asfaltowych: odporności na
koleinowanie, odporności na pękanie niskotemperaturowe, trwałości zmęczeniowej, odporności na
starzenie. Na poziomie cech lepiszczy dąży się do zwiększenia zakresu temperaturowego lepkosprężystości.
Zakres ten definiowany jest przez temperaturę łamliwości wg Fraassa oraz temperaturę mięknienia i jest
nazywany temperaturowym zakresem plastyczności.
Im wyżej położona warstwa asfaltowa, tym większy powinien być zakres plastyczności asfaltu. Są
szczególnie zalecane do warstw ścieralnych, a w niektórych przypadkach i wiążących. W zastosowaniu do
warstwy podbudowy wykorzystuje się je do poprawy trwałości zmęczeniowej. Warto również zauważyć na
szczególne cechy lepkości asfaltu modyfikowanego, która w niewielkim stopniu zmienia się w zakresie od
-20 do +80oC. W temperaturze +60oC lepkość polimeroasfaltu jest kilkukrotnie wyższa niż asfaltu zwykłego
o tej samej penetracji. Jednocześnie w wyższych temperaturach lepkość szybko spada powodując, że
temperatury technologiczne produkcji i wbudowania mogą być nawet niższe niż w przypadku asfaltów
drogowych [22].
Do modyfikacji asfaltów stosuje się najczęściej elastomery SBS, rzadziej plastomery EVA uzyskując w ten
sposób odpowiednio elastomeroasfalt lub plastomeroasfalt. Elastomeroasfalty charakteryzują się szerokim
zakresem plastyczności, sprężystością natychmiastową i wysokim nawrotem sprężystym. Poprawiają
zarówno odporność na koleinowanie, jak i trwałość zmęczeniową oraz podatność na pękanie
niskotemperaturowe. W odróżnieniu plastomeroasfalty mają większy udział odkształcenia trwałego i większą
sztywność w wysokiej temperaturze. Nie poprawiają odporności na pękanie w niskich temperaturach.
Wymienione wyżej definicje asfaltów wynikają z klasyfikacji i zapisów normy PN-EN 12597 [2], natomiast na
rynku dostępne są również inne asfalty, które nie są tam wymienione. Należy tu wymienić asfalty do
mieszanek na ciepło (WMA), asfalty wysokomodyfikowane (HiMA) oraz polimeroasfalt modyfikowany gumą
(CR). Tego rodzaju nowe rozwiązania technologiczne powstają w odpowiedzi na zwiększające się wymagania
pod względem technicznym, ekonomicznym oraz ekologicznym w zakresie budownictwa drogowego.
Technologie te są bardzo obiecujące, czego dowodem są wdrożenia oraz ujęcie możliwości ich stosowania w
dokumentach technicznych. Asfalty wysokomodyfikowane oraz polimeroasfalty CR uwzględnione zostały w
Załączniku Krajowym do normy PN-EN 14023 [6]. Możliwość ich stosowania, jak również asfaltów WMA,
została zapisana również w wymaganiach technicznych wydanych przez Generalną Dyrekcję Dróg
Krajowych i Autostrad [23].
Asfalty WMA
Asfalty WMA są przeznaczone do MMA na ciepło. Mieszanki mineralno-asfaltowe na ciepło (WMA – z ang.
warm mix asphalt) to stosunkowo nowa technologia w Polsce, która w ostatnich latach jest coraz częściej
stosowana. Stanowi technologię pośrednią pomiędzy mieszankami na gorąco, w których obniżenie lepkości
asfaltu (upłynnienie) jest uzyskiwane przez wysoką temperaturę (w zależności od rodzaju asfaltu wynosi ona
o
o
od +150 do +195 C, a w przypadku mieszanki typu asfalt lany może wynosić nawet +230 C [7]), a
mieszankami na zimno, gdzie efekt ten uzyskiwany jest przez wytworzenie emulsji wodno-asfaltowej (rys. 2).
Podstawowym warunkiem dla mieszanek WMA jest zachowanie właściwości i zalet mieszanek w technologii
na gorąco. Natomiast pierwszą korzyścią z ich stosowania jest obniżenie temperatury produkcji o co
najmniej +30oC. Dzięki temu uzyskiwane są oszczędności na zużyciu paliwa [8]. Korzystne są również efekty
środowiskowe z uwagi na zmniejszoną emisję gazów cieplarnianych i oparów na poziomie około 20% [9].
Niższa temperatura i mniej intensywne opary wpływają na lepszy komfort pracy robotników drogowych i
zmniejszają chwilową uciążliwość dla ludzi przebywających w otoczeniu robót [10]. Druga korzyść to lepsza
urabialność i zagęszczalność przy wbudowaniu mieszanki. Mieszanka mineralno-asfaltowa na ciepło będzie
łatwiej się rozkładać i zagęszczać niż mieszanka na gorąco w danej temperaturze szczególnie, gdy jest ona
niższa niż optymalna temperatura zagęszczania. Mieszanki na ciepło mogą być więc stosowane w mniej
korzystnych warunkach atmosferycznych, kiedy ulegają szybszemu wystudzeniu. Dzięki temu możliwe jest
wydłużenie sezonu robót nawierzchniowych oraz wydłużenie odległości transportu mieszanki mineralnoasfaltowej z wytwórni do miejsca wbudowania. Mieszanki na ciepło mogą być również stosowane w
warunkach, gdy czas wykonania robót jest bardzo ograniczony np. na lotniskach. Niższe temperatury
technologiczne oznaczają krótszy czas potrzebny do ostygnięcia nawierzchni przed oddaniem do ruchu. Za
przykład może posłużyć przebudowa nawierzchni na lotnisku we Frankfurcie w roku 2005, gdzie do
wymiany poszczególnych odcinków pasa startowego wystarczyło zaledwie 7,5 godziny [11]. Stosowanie
technologii „na ciepło” jest również wykorzystywane przy produkcji MMA z dodatkiem destruktu [7, 11].
Ostatnią nowością na polskim rynku są asfalty drogowe, które umożliwiają produkcję i wbudowanie
mieszanek mineralno-asfaltowych w technologii na ciepło [12] bez konieczności stosowania dodatków. Są to
asfalty rodzaju 20/30, 35/50 i 50/70, a więc są klasyfikowane jako podstawowe asfalty drogowe „zwykłe” wg
normy PN-EN 12591. Efekt osiągany jest dzięki wprowadzeniu do asfaltu specjalnych substancji
chemicznych, które poprawiają efektywność mieszania i urabialność przez zmniejszenie napięcia
powierzchniowego na granicy asfalt-kruszywo. Asfalty WMA charakteryzują się lepszą przyczepnością w
stosunku do asfaltów zwykłych, co jest szczególnie widoczne w przypadku skał kwaśnych jak np. granit.
Wyniki badań wodoodporności, które są powiązane z adhezją, wskazują, że w przypadku niektórych skał
można nawet zrezygnować ze stosowania dodatkowych środków adhezyjnych. Temperatury technologiczne z
asfaltami WMA mogą zostać obniżone o +30oC. Dodatkowo przeprowadzone badania wykazały, że możliwe
jest efektywne zastosowanie tych asfaltów w produkcji mieszanek z użyciem destruktu (granulatu)
pochodzącego w recyklingu nawierzchni asfaltowej nawet w ilości 50%. Jest to efektem dobrej urabialności
oraz obniżenia temperatur technologicznych.
Polimeroasfalty CR
Polimeroasfalty CR są asfaltami modyfikowanymi polimerem z dodatkiem miału gumowego. Historia
stosowania gumy w nawierzchniach asfaltowych sięga aż 1840 r., kiedy odnotowano pierwsze zastosowania
kauczuku naturalnego jako modyfikatora asfaltu [13]. Niemal sto lat później odnotowano pierwsze
zastosowanie gumy z zużytych opon samochodowych do modyfikacji asfaltu w USA, a w latach połowie lat
60. Charles McDonald (USA, Arizona) opracował metodę „na mokro” modyfikacji asfaltu gumą [14, 15]. W
metodzie tej rozdrobniony granulat gumowy mieszany jest na gorąco z asfaltem w wysokiej temperaturze w
specjalnej instalacji, co pozwala wprowadzić nawet 20% granulatu. W ten sposób uzyskane lepiszcze w
istotnym stopniu przejmuje wartościowe cechy gumy. Obecnie ta metodą dość szeroko upowszechniła się w
Stanach Zjednoczonych i jest do dzisiaj stosowana [16]. Metodą alternatywną jest metoda „na sucho”, w
której granulat gumowy dozowany jest bezpośrednio do kruszywa w mieszalniku otaczarki przed podaniem
asfaltu. Reakcja gumy z asfaltem jest znikoma. W istocie granulat gumowy jest składnikiem kruszywa w
mieszance. Pomimo tego efekt modyfikacji właściwości fizyko-mechanicznych asfaltu i mieszanki nie jest
znaczący, natomiast jest stwierdzone zmniejszenie hałaśliwości nawierzchni [17]. Dostępna jest również
technologia pośrednia tj. granulat gumowy z dodatkiem asfaltu [18]. Składa się z asfaltu drogowego 50/70
lub 70/100 oraz zwulkanizowanej gumy chemicznie i fizycznie związanej z lepiszczem, a także z
odpowiednich wypełniaczy i olejów. Ostatnią nowością na rynku są polimeroasfalty modyfikowane gumą
typu CR (z ang. crumb rubber). Są one wytwarzane metodą terminalową „na mokro” w rafinerii. Z punktu
widzenia producenta mieszanki jest to najprostsza metoda, która nie wymaga dodatkowych zabiegów czy
instalacji, poza koniecznością mieszania asfaltu w zbiorniku. Dostępne są asfalty rodzaju 25/55-60 CR oraz
45/80-55 CR. Pierwszy z nich dedykowany jest do warstwy podbudowy i wiążącej, a w szczególności do
betonu asfaltowego o wysokim module sztywności. Natomiast asfalt 45/80-55 CR przeznaczony jest to
mieszanek do warstwy ścieralnej, w szczególności typu SMA i BBTM. Badania laboratoryjne
polimeroasfaltów CR wykazały, że spełniają one wymagania normy PN-EN 14023 dotyczącej
polimeroasfaltów i mogą być stosowane do mieszanej mineralno-asfaltowych [19, 20]. W badaniach
mieszanek mineralno-asfaltowych typu beton asfaltowy o wysokim module sztywności wykazano istotną
poprawę niektórych właściwości w porównaniu do zastosowania polimeroasfaltu bez dodatku gumy [21]. W
szczególności dotyczy to odporności na pękanie niskotemperaturowe i trwałości zmęczeniowej, przy
zachowaniu odporności na koleinowanie.
Asfalty wysokomodyfikowane
Asfalty wysokomodyfikowane (HiMA) są szczególną odmianą polimeroasfaltów. W Polsce najczęściej do
modyfikacji asfaltów stosuje się elastomery typu SBS (styren-butadien-styren) [22]. W klasycznych
polimeroasfaltach zawartość SBS nie przekracza ilości 7,0% m/m. Zwiększenie zawartości polimeru
powoduje ryzyko zmniejszenia stabilności (rozdzielenia fazy polimeru i asfaltu) oraz zwiększenia lepkości
powodujące problemy podczas produkcji i wbudowywania. Jednak prace badawczo-rozwojowe prowadzone
przez producentów i ośrodki naukowe doprowadziły ostatecznie do uzyskania polimeroasfaltów o
zwiększonej ilości polimerów, nazywanych asfaltami wysokomodyfikowanymi. W takich asfaltach zmianie
ulegają proporcje pomiędzy zawartością objętościową asfaltu i polimeru.
Na rynku polskim w największych rafineriach dostępne są trzy rodzaje asfaltów wysokomodyfikowanych:
25/55-80, 45/80-80 oraz 65/105-80. Możliwość ich stosowania wynika z zapisów Załącznika Krajowego do
normy PN-EN 14023 oraz z dokumentu WT-2 2014 [23]. Ten ostatni dokument wskazuje zastosowanie tych
asfaltów w zależności od przeznaczania (rodzaj warstwy) i kategorii ruchu. Z uwagi na szczególne
właściwości tych asfaltów są one zasadniczo przeznaczone do nawierzchni o zwiększonym obciążeniu
ruchem. Prace rozwojowe [24] wykazały znaczną poprawę właściwości niskotemperaturowych asfaltu
(temperatura łamliwości, temperatura krytyczna wg PG) oraz mieszanek mineralno-asfaltowych. Bardzo
korzystne wyniki uzyskano również w badaniach zmęczeniowych DSR (Dynamic Shear Rheometer) asfaltu
oraz mieszanek metodą belki czteropunktowo zginanej. Jednocześnie poprawie w stosunku do
polimeroasfaltów uległa odporność na deformacje trwałe, co wykazały wyniki górnej temperatury krytycznej
wg PG, MSCR (Multiple Stress Creep Recovery) i koleinowania mieszanek mineralno-asfaltowych. Tak dobre
właściwości predysponują do stosowania nie tylko w nawierzchniach najwyższych kategorii ruchu, ale
również w nawierzchniach długowiecznych, projektowanych na 30-50 lat.
Zastosowanie asfaltów
Przeznaczenie asfaltów zależy od kategorii ruchu i warstwy nawierzchni. W tablicy 4 przedstawiono
zalecane asfalty do mieszanek mineralno-asfaltowych wg Wymagań Technicznych WT-2 2014 [23].
Literatura
1. Sybilski D., Czy asfalt jest szkodliwy dla środowiska, Magazyn Autostrady, nr 12/2009.
2. PN-EN 12597 Asfalty i produkty asfaltowe – Terminologia.
3. PN-EN 12591 Asfalty i lepiszcza asfaltowe – Wymagania dla asfaltów drogowych.
4. PN-EN 13924 Asfalty i lepiszcza asfaltowe – Wymagania dla asfaltów drogowych twardych.
5. PN-EN 13924-2 Asfalty i lepiszcza asfaltowe – Zasady klasyfikacji asfaltów drogowych specjalnych – Część
2: Asfalty drogowe wielorodzajowe.
6. PN-EN 14023 Asfalty i lepiszcza asfaltowe – Zasady klasyfikacji asfaltów modyfikowanych polimerami.
7. Stienss M., Judycki J., Mieszanki mineralno-asfaltowe na ciepło – przegląd dodatków, Drogownictwo, nr
7-8/2010, str. 227-232.
8. EAPA, The use of Warm Mix Asphalt, EAPA Position Paper 2010.
9. Prowell B., Warm mix asphalt – The international technology scanning program – Summary report,
NCHRP 2007.
10. Olard F., Le Noan C., Romier A., Low energy asphalt technique for minimizing impacts from asphalt
plants to road works, European Roads Review 2007, ERR No. 10, str. 64-75.
11. Croteau J.M., Tessier B., Warm Mix Asphalt Paving Technologies: a Road Builder’s Perspective, Annual
Conference of the Transportation Association of Canada, 2008.
12. Karp E., Czajkowski P., Ekologia w cenie, Infrastruktura: Ludzie Innowacje Technologie, nr 5-6/2015.
13. Rubber World, Those Amazing Rubber Roads, nr 3-4/1967.
14. Morris G.R., McDonald C.H., Asphalt-Rubber Stress Absorbing Membranes: Field Performance and
State of the Art, TRB, Transportation Research Record No. 595, National Research Council, Washington
D.C., 1976.
15. McDonald C.H., Recollections of Early Asphalt-Rubber History, National Seminar on Asphalt-Rubber,
October 1981.
16. Sybilski D., Horodecka R., Maliszewski M., Możliwości stosowania cichych nawierzchni drogowych w
Polsce, Materiały Budowlane, nr 8/2011, str. 32-34.
17. Sybilski D., Bańkowski W., Wróbel A., Ciche nawierzchnie asfaltowe z zastosowaniem granulatu
gumowo-asfaltowego, Monografia: Ochrona środowiska i estetyka a rozwój infrastruktury drogowej, SITK,
Lublin, 2011.
18. Sybilski D., Bańkowski W., Horodecka R., Wróbel A., Mirski K., Metoda modyfikacji mieszanki
mineralno-asfaltowej gumą z zastosowaniem dodatku „tecRoad”, Drogownictwo, nr 6/2011, str. 189-193.
19. Bańkowski W., Gajewski M., Sybilski D., Horodecka R., Czajkowski P., Kędzierska A., Laboratoryjna
ocena przydatności polimeroasfaltu z dodatkiem gumy do zastosowania w mieszance AC WMS, Część 1:
Badania asfaltów, Drogownictwo, nr 7-8/2014, str. 226-232.
20. Bańkowski W., Sybilski D., Horodecka R., Czajkowski P., Laboratoryjna ocena przydatności
polimeroasfaltu z dodatkiem gumy do zastosowania w mieszance AC WMS, Cz. 2: Badania mieszanek,
Drogownictwo, nr 9/2014, str. 300-306.
21. Król J., Radziszewski P., Sarnowski M., Czajkowski P., Kędzierska A., Chromiec A., Mieszanki mineralnoasfaltowe z lepiszczem polimerowogumowym do warstw ścieralnych, Magazyn Autostrady, nr 5/2013, str.
82-87.
22. Gaweł I., Kalabińska M., Piłat J., Asfalty drogowe, WKiŁ, 2014.
23. WT-2 2014, Nawierzchnie asfaltowe na drogach krajowych, część 1, GDDKiA, Warszawa, 2014.
24. Błażejowski K., Olszacki J., Peciakowski H., Asfalty wysokomodyfikowane Orbiton HiMA – Poradnik
stosowania, Orlen Asfalt, 2014.
dr inż. Wojciech Bańkowski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów